《精编》电子产品结构材料之铍青铜和锡青铜

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1、电子产品结构材料特性和选择方法第四讲铍青铜和锡青铜 1课时 第四讲铍青铜和锡青铜 4铍青铜和锡青铜4 1案例 瓦斯爆炸的诱因是什么4 2铍青铜4 1 1铍元素的特性4 1 2铍青铜的成分和种类4 1 3铍青铜的力学性能4 1 4铍青铜的冲压加工性能 第四讲铍青铜和锡青铜 4 2锡青铜4 2 1锡元素的特性4 2 2锡青铜的成分和种类4 3 3锡青铜的力学性能4 3铍青铜和锡青铜的比较和选择4 3 1铍青铜和锡青铜的知名生产厂商4 3 2铍青铜和锡青铜的国内外牌号对照4 3 3铍青铜和锡青铜的关键指标4 4 4铍青铜和锡青铜的比较和应用 第四讲铍青铜和锡青铜 引言了解材料技术有多个层面 不同厂商

2、的同类材料比较是一个层面 对材料成分差异性的分析是另一个层面 本讲在这个层面上 对铍青铜和锡青铜的特性做一些介绍 铍青铜和锡青铜各有不同的应用场合 有些应用场合非铍青铜不可 了解这一点对产品结构和电气可靠性是至关重要的 第四讲铍青铜和锡青铜 4 1案例 瓦斯爆炸 瓦斯爆炸原因就是瓦斯积聚和引爆火源 火源那里来 放炮和电器设备产生的火花是瓦斯爆炸事故的主要火源 如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中 有16起是由放炮产生的火花引爆的 有15起事故是由电器设备及电源线电火花引爆的 资料来源 第四讲铍青铜和锡青铜 4 2铍青铜4 1 1铍元素的特性 铍的化学符号为Be 比重为1 85 铍比常用的铝和钛

3、都轻 是最轻的结构金属之一 但拉伸强度是钢4倍 铍元素呈灰白色 质坚硬 电导率31 3 106 m 热导率201W m K 熔点1278 沸点2970 莫氏硬度5 5 工业上金属铍的生产一般分为两步 第一步是从绿柱矿石中提取氧化铍 第二步是由氧化铍制取金属铍 第四讲铍青铜和锡青铜 特别注意 铍的化合物如氧化铍 氟化铍 氯化铍 硫化铍 硝酸铍等毒性较大 而金属铍的毒性相对比较小些 铍进入人体后 难溶的氧化铍主要储存在肺部 可引起肺炎 铍元素从人体组织中排泄出去的速度极其缓慢 因此要防止铍元素的意外入口 延伸问题 什么金属大量的植入身体对人体没有危害 第四讲铍青铜和锡青铜 4 1 2铍青铜的成分和

4、种类 铍青铜 Berylliumbronze 是一种含铍0 2 2 5 的铜基合金 其主要成分仍然是铜 铍青铜中也含有0 1 0 4 微量的镍 锡 钴 锰 钛 铁 镁等元素 各类合金都有以下通性 熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点 硬度比其组分中任一组分金属的硬度大 合金的导电性和导热性低于其任一组分金属的导电性和导热性 对后续介绍的铝 镁 钛的合金也一样 第四讲铍青铜和锡青铜 铜比钢铁要软得多 弹性和抵抗腐蚀的能力也不强 但是在铜元素中加入一些铍后 其合金的性能发生了很大的变化 铍青铜依据铍含量分为两大类 铍含量为0 2 0 6 的是高导 电 热 铍青铜 铍含量为1 6 2 0 的是高强铍

5、青铜 合金中铍的作用主要是机械强度 硬度 弹性极限和疲劳极限大幅提高 所谓高导电 高导热是相对于高铍含量的铍青铜而言 实际上 铜中加铍元素后 相对纯铜其导电 导热性能是降低的 铍青铜中加微量的镍 可以改变合金晶体结构 提高抗氧化和防腐性能 并具有防止撞击和大电流下打火花的功能 铍青铜中加微量的加锰元素可以细化晶粒 稳定性能 加锡元素可以提高焊接性能 国外有的铍青铜中加有微量的钴 它可以提高合金的韧性和硬度 并且提高铍青铜耐温性能 钴有铁磁性能 加了钴的铍青铜合金具有一定的铁磁性 这在电磁屏蔽材料应用上有一定作用 中国国家标准的铍青铜牌号和化学成分如参考书表6 2所示 美国铍青铜牌号和化学成分如

6、参考书表6 3所示 第四讲铍青铜和锡青铜 第四讲铍青铜和锡青铜 4 1 3铍青铜的力学性能铍青铜的国内标准 不论是国家标准 还是有色金属行业标准 均仅列出了少数几项力学指标 对导电 导热和疲劳强度等指标均没有列出 这与目前国内的铍青铜制造水平有关 至今为止 国产铍青铜牌号仅限于几种 如表6 1所示 其性能方面与国外也有差距 特别是国内的标准中 对 厚度小0 25mm的带材 拉伸强度 拉伸率不做要求 厚度小于0 25mm的带材 C CY4 CY2硬度不做要求 而这些参数对电子产品的接插件是重要的 标准不做要求 是因为国内的铍青铜生产水平目前还达不到国外标准所定的指标 第四讲铍青铜和锡青铜 表4

7、1铍青铜的力学性能 摘自YS T323 2002 第四讲铍青铜和锡青铜 表4 2美国BrushWellman公司铍青铜带材机械和导电性能 第四讲铍青铜和锡青铜 ttu 续表4 2 第四讲铍青铜和锡青铜 4 1 4铍青铜的冲压加工性能 铍青铜的性能与材料出厂热处理状态密切相关 购买时要标清需要的状态 同时冲压后也需要做热处理才能发挥铍青铜高的弹性和疲劳强度 不同的铍青铜牌号和不同的热处理状态 在零件冲压加工时的性能不同 具体如表4 3所示 第四讲铍青铜和锡青铜 表4 3美国BrushWellman公司的铍青铜带材冲压加工性能 第四讲铍青铜和锡青铜 4 2锡青铜4 2 1锡元素的特性 锡的主要来源

8、是它的一种氧化物矿物锡石 SnO2 中国占全球锡的矿存储量25 锡是银白色的软金属 符号是Sn 莫氏硬度为1 5 这个硬度文具刀就可以切开它 锡的比重为7 3 电导率为9 17 106米欧姆 热导率为66 6W m K 由此可见锡的导热比铜的导热差很多 锡在空气中不易氧化 它的多种合金有防腐蚀的性能 锡很容易与铁结合 可以被用来做钢板的防腐层 锡的伸展性很好 能伸展成极薄的锡箔 厚度可以薄到0 04mm以下 但它的拉伸性比较差 可以挤压制成细丝 但一拉就断 也就是拉伸强度很低 在金属中锡的熔点较低 只有232 因此 只要用酒精灯或蜡烛火焰就能使它熔化成象水银一样的流动性的液体 锡不耐低温 当温

9、度低到13 2 以下时 就会转变成煤灰状的粉 电子产品中 锡最大量的应用是作为焊接元器件的焊料 锡的焊接性能特别好 其次就是加入铜中制成锡青铜成为接插件 开关和屏蔽罩等零件的材料 第四讲铍青铜和锡青铜 第四讲铍青铜和锡青铜 4 2 2锡青铜的成分和种类锡青铜 Tinbronze 的成分依据牌号不同 锡的含量在3 8 也有的锡青铜还含有磷 锌 镍 铅等元素 国家标准GB5231一2001 加工铜及铜合金化学成分和产品形状 中规定了锡青铜的化学成分 如参考书6 9所示 市场上也将含磷的锡青铜称为磷青铜和锡磷青铜 第四讲铍青铜和锡青铜 4 3 3锡青铜的力学性能锡青铜的熔点比纯铜低 耐腐蚀 弹性好

10、中国国家标准 弹性元件和接插件用铜带 送审稿 其中规定了锡青铜的力学性能 如参考书表6 10所示 此标准是基本采用欧盟标准BSEN1654 1997 弹性元件和接插件用铜及铜合金带 并参照日本标准JISH3130 2006 弹簧用铍青铜 锡青铜和锌白铜板和带 标准 结合国内的市场需求及生产的实际情况而进行编制的 第四讲铍青铜和锡青铜 4 3铍青铜和锡青铜的比较和选择4 3 1铍青铜和锡青铜的知名生产厂商1 铍青铜的知名厂商 国外铍青铜的生产厂商主要为美国百盛 BrushWellman 和日本碍子 NGK 两家公司 产品覆盖全球市场的95 以上 市场售价在15万元 吨左右 中国年生产铍青铜总量只

11、有约1200吨 且都是低档铍青铜带材 铍青铜是20世纪60年代开始应用的 由于铍青铜的产品加工工艺复杂 生产设备特殊 产业化生产难度大 技术含量高 其中的制造技术有些是行业中的重大技术难题 目前 国内高性能铍青铜材料全部依赖进口 镇江市威亚达合金制品有限公司有铍青铜材料的生产 据悉 鹰潭乌尔巴兴业金属材料有限公司开始生产高精度铍青铜 第四讲铍青铜和锡青铜 2 锡青铜的知名厂商 人类最早应用的金属是铜和锡 有大量物证的铜合金历史已有两千多年 青铜器曾经是一个时代的象征 中国锡青铜的生产历史悠久 工艺成熟 与国外的产品特性差距不大 锡青铜制造的知名厂商有日本NGK 中铝上海铜业有限公司 安徽鑫科新

12、材料股份有限公司 宁波兴业电子铜带有限公司等 第四讲铍青铜和锡青铜 4 3 2铍青铜和锡青铜的国内外牌号对照铍青铜国内与国外的对应牌号不多 锡青铜国内与国外的对应牌号较多 如表4 4所示 这些对应只是化学成分接近 力学性能还是有一些差距的 应用时需要对照制造商的技术规格书 表4 4铍青铜和锡青铜的国内外牌号对照 第四讲铍青铜和锡青铜 4 3 3铍青铜和锡青铜的关键指标1 弹性 弹性是指零件在外力作用下发生形变和外力卸载后能恢复原来大小和形状的能力 首先 外力作用下发生形变 的能力取决于材料的弹性模量 E 和零件的形状 再者 外力卸载后能恢复原来大小和形状 的能力取决于材料的拉伸强度 屈服强度和

13、延伸率 弹性零件的弹性也常用应力 应变曲线图来表达 即多大的力下会变形多少 并且只有维持一定的夹持力 回弹力 才能保证弹性零件的有效接触 铍青铜和锡青铜是高弹性导电材料 零件长期的弹性用压缩永久变形来表达 它还取决于材料的疲劳强度 疲劳强度越大 长期的弹性就越好 铍青铜的弹性滞后很小 抗应力松弛性能极佳 这就保证了零件长期的接触性能 第四讲铍青铜和锡青铜 2 表面硬度 关注表面硬度主要是与耐磨性有关 对接插件来说 高的表面硬度才能有光滑的接触表面 保持良好的接触性能3 导电导热性能 越是高速电路 越要关注接插件的导电性能 越是大功率的接插件应用 就越要关注散热性能 含低铍的铍青铜和锡青铜产品都

14、是能满足导电导热需求的材料 4 高强度性能 高强度包括拉伸 屈服和疲劳强度 对于经常插拔的接插件 高密度的接插件和高可靠性的弹性触点需要高强度性能 含高铍的铍青铜可以满足这个要求 第四讲铍青铜和锡青铜 5 冲压性能 有些接插件形状复杂 如台式机用的CPU插座 通讯产品背板高速插座 在制造时需要深度引伸 多道折弯 需要特别关注冲压性能和材料热处理状态 含磷的锡青铜和含高量的铍青铜在软化状态 冲压性能好 特别是含铍高于2 的铍青铜在冷冲压时有着其它金属不能比的优良引伸特性 第四讲铍青铜和锡青铜 4 4 4铍青铜和锡青铜的比较和应用1 铍青铜和锡青铜的供货形态 电子产品中铍青铜和锡青铜的应用主要是带

15、材和箔材 国产的厚度0 1 1 5mm 宽度30 200mm 国外的有厚度0 04 2 5mm 宽度最宽可达600mm 带材为卷料 长度为可选 2 铍青铜的应用 概括地说 铍青铜的弹性 疲劳寿命远好于锡青铜 这主要是由于铍青铜的抗拉强度和疲劳强度远好于锡青铜 铍青铜的硬度高 耐磨性好 也是经常插拔的弹性触点所需要的性能 铍青铜的弹性范围内的压缩不可恢复比率在5 以内 第四讲铍青铜和锡青铜 铍含量为0 1 0 6 的是高导 电 热 铍青铜 适用于电接触性能要求高的接插件固定触点 铍含量为1 6 2 0 的是高强度铍青铜 包括拉伸强度 硬度 弹性极限和疲劳极限均大幅提高 适用于高速接插件的弹性触点

16、和防护罩等结构件 铍青铜适合应用在高可靠性的弹性触点 特别是经常插拔的应用 如手机的机械按键簧片 俗称锅仔 手机天线触点 手机SIM卡的弹性触点 CPU插座的触点 通信产品的高速信号的接插件弹性触点 微动开关弹性触点和机械定时器的游丝等 第四讲铍青铜和锡青铜 铍青铜中所含铍的成分越高 其弹性就越好 高弹性的铍青铜是高速高频电路用接插件和簧片的首选材料 铍青铜中所含铍成分越低 其导电性就越好 这两类铍青铜可以在接插件中合理配合使用 即接插件的弹性触点用高弹性的铍青铜 如QBe1 9等材料 接插件中不需要弹性的插针用高导电的铍青铜 如QBe1 7或锡青铜QSn8 0 3等材料 在瞬间高电压脉冲时 含镍的铍青铜制成的触点不会像普通铜触点那样放电打火 在矿井等粉尘作业环境需要防暴的产品中 这个特性特别重要 它可用于会打火的电源插头 插座 接插件 防护罩及电机电刷等结构处 第四讲铍青铜和锡青铜 3 锡青铜的应用 锡青铜的制造工艺成熟 产品性能稳定 材料成本远比铍青铜低 焊接性能好 导电性好 在电子产品中的导电固定触点 非弹性触点 配对的接插件中的固定插针 及中低电接触性能要求的 插拔次数不多的接